1、科学出版社工程材料 （杨瑞成等编著，2012.1）课后布置习题（参课件）的参考解答第 1 章 机械工程对材料性能的要求1 名词解释：参考书上相应部分。3 机械零件在工作条件下可能承受哪些负荷？这些负荷对零件产生什么作用？工程构件与机械零件（以下简称零件或构件）在工作条件下可能受到力学负荷、热负荷或环境介质的作用。有时只受到一种负荷作用，更多时候将受到两种或三种负荷的同时作用。在力学负荷作用条件下，零件将产生变形，甚至出现断裂；在热负荷作用下，将产生尺寸和体积的改变，并产生热应力，同时随温度的升高，零件的承载能力下降；环境介质的作用主要表现为环境对零件表面造成的化学、电化学腐蚀及摩擦磨损等作用。
2、4 常用机械工程材料按化学组成分为几个大类？各自的主要特征是什么？ 机 械 工 程 中 使 用 的 材 料 常 按 化 学 组 成 分 为 四 大 类 ：金属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料。材料 结合键 主要特征金属材料 金属键优点：良好的综合力学性能（强度和塑性等） 、导电性、导热性和工艺性能等，并呈特有的金属光泽。缺点：在特别高的温度以及特殊介质环境中，由于化学稳定性问题，一般金属材料难以胜任。高分子材料 共价键和分子键优点：具有较高弹性、耐磨性、绝缘性、抗腐蚀性及重量轻等优良性能，而且易于成形。缺点：耐热差，尺寸稳定性低，强度硬度低，易老化。陶瓷材料 离子键或 共价键优点：熔点高、
3、硬度高、化学稳定性高，具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、绝缘和热膨胀系数小的特点。缺点：脆性大、不易加工成形。复合材料 多种键复合优点：具有单一材料所不具备的优异性能，可按需要进行人为设计、制造。缺点：价格昂贵提示：按强度、塑性等力学性能，化学稳定性、高温性能、电学、热学等方面特性回答。7 常用哪几种硬度试验？如何选用？硬度试验的优点何在？硬度试验 选用布氏硬度常用于退火状态下的钢材、铸铁、有色金属及调质钢的硬度测试（即材料硬度相对偏中低水平的） 。不适宜于测量硬度较高的零件、成品零件及薄而小的零件。洛氏硬度可测量较高硬度的材料（如一般淬火处理的钢或工具钢） ，也可测量硬度不太高的材料（如调质钢）等
4、，并且测量中压痕小、不易损伤零件表面。组织粗大且不均匀的材料，测量结果不够准确、重复性差。维氏硬度 维氏硬度多用于薄工件或薄表面硬化层的硬度测试。显微硬度用于材料微区硬度（如单个晶粒、夹杂物、某种组成相等）的测试。其他 莫氏硬度用于陶瓷和矿物的硬度测定。邵氏硬度常用于橡胶、塑料的硬度测定。硬度试验有以下优点： 试验设备简单，操作迅速方便； 试验时一般不破坏成品零件，因而无需加工专门的试样，试验对象可以是各类工程材料和各种尺寸的零件； 硬度作为一种综合的性能参量，与其它力学性能如强度、塑性、耐磨性之间的关系密切，由此可按硬度估算强度而免做复杂的拉伸实验（强韧性要求高时则例外） ； 材料的硬度还与
5、工艺性能之间有联系，如塑性加工性能、切削加工性能和焊接性能等，因而可作为评定材料工艺性能的参考； 硬度能较敏感地反映材料的成分与组织结构的变化，故可用来检验原材料和控制冷、热加工质量。（提示：设备简单；试样方便（无需专门加工） ；在一定范围可与力学性能、工艺性能建立联系；工程中常用）11 下列各种工件或钢材可用那些硬度试验法测定其硬度值?(1)车刀（钢制） 、锉刀用洛氏硬度 HRC；(2)供货状态的各种碳钢钢材用布氏硬度 HBS 或 HBW；(3)硬质合金刀片用维氏硬度 HV 或洛氏硬度 HRA；(4)铝合金半成品用布氏硬度 HBS 或 HBW；(5)耐磨工件的表面硬化层用维氏硬度 HV 或洛
6、氏硬度 HRA。第 2 章 材料的组成和内部结构特征1 名词解释：参考书上相应部分。9 在铁碳合金中主要的相是哪几个？两个最主要的恒温反应是什么？其生成的组织是什么？它们的性能有什么特点？答：铁碳合金相图中共有五个基本相，即液相 L、铁素体相 F、高温铁素体相 、奥氏体相 A 及渗碳体相 Fe3C。在 ECF 水平线（1148）发生共晶转变 L4.3A2.11+Fe3C 。转变产物为渗碳体基体上分布着一定形态、数量的奥氏体的机械混合物（共晶体） ，称为莱氏体，以符号“Ld”表示，性能硬而脆。在 PSK 线（727）发生共析转变 A0.77F0.0218+Fe3C。转变产物为铁素体基体上分布着一
7、定数量、形态的渗碳体的机械混合物（共析体） ，称为珠光体，以符号“P”表示。珠光体的强度较高，塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间。10 根据铁碳相图对铁碳合金进行分类，试分析不同铁碳合金成分、室温平衡组织及性能之间关系。答：由 FeC 相图可将铁碳合金分为以下几类：工业纯铁：wC0.0218%， 组织为 F+Fe3CIII亚共析钢：0.0218%0.8%）,以形成大量碳化物，保证高硬度、高耐磨性。较多 W 与 Mo（10%）,产生 W2C、Mo2C 等细小弥散硬化，保证热硬性。4%Cr，保证淬透性。加 V，提高硬度、耐磨性。热处理特点：先在 800850之间预热，1200-1300 高温淬
8、火，三次 560回火（为了消除淬火钢中大量的残余奥氏体（可达 30%左右） ，使合金碳化物弥散析出，以保证具有高的热硬性）,组织回火马氏体+碳化物+残余 A；6366HRC。典型钢种：W6Mo5Cr4V2、W9Mo3Cr4V、W18Cr4V。11 试比较冷作模具钢和热作模具钢的常用钢号、 热处理特点和性能特点。答：1)冷作模具钢：高碳（合金）钢。常用钢号：T8、T10、T12；9Mn2V、9SiCr、GCr15；Cr12MoV、65Nb、W6Mo5Cr4V2。性能特点：高硬度高耐磨性、足够整体强度与韧性。用于各种冷冲压、冷成型模具；热处理特点：淬火+低温回火，58HRC，细小马氏体+粒状碳化物
9、+少量残余奥氏体。2)热作模具钢：中碳合金钢常用钢号如： 5CrNiMo、5CrMnMo； 3Cr2W8V；H11(4Cr5MoSiV)、H13(Cr5MoSiV1)。性能特点：耐热性、高温强度，耐热疲劳，高淬透性和导热性。用于锻模、热挤压模、热弯模等；热处理特点：淬火、中温回火（高于工作温度） ，3550HRC，得到回火屈氏体。第 6 章 非金属材料1 解释下列名词术语：答：塑料：以树脂（即高分子化合物）为基本原料，加入能改善其性能或降低其成本的添加剂，在一定的温度和压力下塑制成形，并在常温下能保持其形状不变的材料或制品的总称。 热塑性塑料：具有可溶可熔性的塑料。 热固性塑料：具有不溶不熔性
10、，加热温度很高时直接分解、碳化的塑料。工程塑料：有良好的力学性能和尺寸稳定性，可以作为工程结构件的塑料。胶粘剂：通过粘附作用，使同质或异质材料连接在一起，并在胶接面上有一定强度的物质。橡胶：以生胶为原料，加入适量的配合剂所组成的一种高弹性的高分子化合物。涂料：涂敷于物体表面，能与基体材料很好粘结并形成完整而坚韧保护膜的物料。陶瓷：由天然或人工原料经高温烧结而成的致密固体材料。水泥：细磨成粉末状，加水拌和成塑性浆体后，能胶结砂、石等适当材料并能在空气中硬化的粉状水硬性胶凝材料。玻璃：一种较为透明的无定形材料。其狭义定义为：一种在凝固时基本不结晶的无机熔融物；其广义定义为具有玻璃化转变现象的非晶态
11、固体。复合材料：由基体（即连续相）和增强材料（即增强相）通过一定的工艺方法组合而成的多相体系。2 热塑性塑料和热固性塑料的特点是什么？主要各有哪些品种？答：热塑性塑料的特点是加热温度不超过其分解温度时，可反复加热、冷却；可溶解在一定的溶剂中；成型工艺形式多，生产效率高，可直接注射、挤压、吹塑成型；耐热性和刚性都较差。主要有聚乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺等。热固性塑料的特点是：固化后不溶于有机溶剂，再次加热时也不熔化；抗蠕变性强，不易变形；耐热性较高；成型工艺复杂，生产效率低。主要有酚醛塑料、氨基塑料、环氧塑料等。3 试以机械设备中两三种塑料零件为例，分析它 们选用塑料的原因。答：低压聚乙烯质地坚硬、
12、耐热、 耐 磨 、 耐蚀性 及介电性，可用来制作齿轮、滑轮。聚酰胺强韧、耐疲劳、耐摩擦、自润滑、电绝缘性好、使用温度范围宽，可用来制作齿轮、轴承、油管、密封圈等零件。聚丙烯的强度、硬度和刚度高，几乎不吸水，化学稳定性和电绝缘性较好，易成型，且价格低廉，可用来制作阀门。8 陶瓷材料的性能特点是什么？适宜制作什么零件？陶瓷材料弹性模量高、硬度高、熔点高、化学稳定性好、电绝缘性好、导热率低，但塑性变形能力差，且难切屑加工，适宜制作电绝缘零件，耐蚀、耐高温零件等。10 什么是复合材料？复合材料具有哪些结构特点和性能特点？试举一纤维增强复合材料应用的例子，并简述其增强原理。复合材料是由基体（即连续相）和
13、增强材料（即增强相）通过一定的工艺方法组合而成的多相体系，其结构包括基体和增强体，具有比强度和比模量高、抗疲劳性能好、减振性能好、高温性能好以及工艺性能好等性能特点。如高强度碳纤维增强环氧树脂复合材料，外力作用时，环氧树脂将复合材料所受负荷通过一定的方式传递并分布给高强度碳纤维，使得纤维承担大部分外力，环氧树脂则主要提供塑性和韧性。第 7 章 工程设计、制造与材料选择1 零件失效有哪些类型？试分析零件失效的主要原因。答：机器零件的失效可以分为过量变形失效、断裂失效和表面损伤失效三大类。每一类失效又可细分为若干具体的失效形式。失效的主要原因有以下四个方面：（1）设计1）应力计算错误表现为对零件的
14、工作条件或过载情况估计不足造成的应力计算错误。2）热处理结构工艺性不合理 热处理结构工艺性是指零件结构对热处理工艺性的影响及零件结构对失效的影响。如把零件受力大的部位设计成尖角或厚薄悬殊等，这样导致应力集中、应变集中和复杂应力等，从而容易产生不同形式的失效。（2）选材与热处理1）选材错误材料牌号选择不当、错料、混料，均会造成零件的热处理缺陷或力学性能得不到保证和使用寿命下降。2）热处理工艺不当材料选择合理，但是热处理工艺或是热处理操作上出现了毛病，即使零件装配前没有报废，也容易早期失效。3）治金缺陷夹杂物、偏析、微裂纹、不良组织等超标，均会产生废品和零件失效。（3）加工缺陷冷加工和热加工工艺不
15、合理会引起加工的缺陷，缺陷部位可能成为失效的起源。如切削加工缺陷主要指敏感部位的粗糙度值太高，存在较深的刀痕；由于热处理或磨削工艺不当造成的磨削回火软化或磨削裂纹；应力集中部位的圆角太小，或圆角过渡不好；零件受力大的关键部位精度偏低，运转不良，甚至引发振动等，均可能造成失效。（4）装配与使用装配时零件配合表面调整不好、过松或过紧、对中不好、违规操作、对某些零件在使用过程中未实行或未坚持定期检查、润滑不良以及过载使用等，均可能成为零件失效的原因。5 选材三原则是什么？零件选材时应注意什么问题？答：选材三原则是使用性能原则、工艺性原则、经济性原则。使用性能原则使用性能是选材的必要条件，是零件乃至机
16、器完成其功能的基本保证。使用性能可由力学性能、物理性能和化学性能表征。机械零件主要是力学性能。工艺性原则是指材料经济地适应各种加工工艺而获得规定使用性能或形状的能力。经济性原则选材要讲经济效益，要考虑多项成本。10 指出下列工艺路线的错误：（1）高精度精密机床床身，选用灰 铸铁：铸时效粗加工 半精加工时效精加工；（2）高频表面感应加热淬火零件，使用退火 圆料：下料粗加工 高频淬火、回火 半精加工精加工；（3）渗碳零件：锻调质精加工半精加工渗碳、淬火、回火。答：正确工艺如下：高精度精密机床床身，选用灰 铸铁：铸粗加工时效 半精加工时效精加工；高频感应加热淬火零件：下料调质或正火粗加工半精加工高频
17、淬火、回火精加工渗碳零件：锻正火粗加工半精加工渗碳、淬火、回火精加工11 材料库中存有：35CrMo；、GCr15、 T12、60Si2Mn。现要制作锉刀、齿轮、汽车板簧， 请选用材料，并说明其热处理方法及使用状 态下的组织。答：锉刀T12，淬火、低温回火，回火马氏体+ 细粒状碳化物；齿轮35CrMo,调质+高频淬火+低温回火，回火马氏体；汽车板簧60Si2Mn，淬火、中温回火，回火屈氏体。14 如镗杆选用 38CrMoAl 制造，其工艺路线如下：下料锻造退火粗加工调质半精加工去应力退火粗磨氮化精磨研磨，试从力学性能和成分的角度 说明选择 38CrMoAl 的原因及各热处理工序的作用。答：38
18、CrMoAl 为中碳调质钢，为氮化专用钢。从力学性能角度上，镗杆工作时承受较大冲击载荷，而表面要求具有高硬度、高耐磨性，且尺寸精度高，故选择氮化专用钢；成分上，38CrMoAl 为中碳钢，Cr、Mo 提高淬透性，使心部能获得韧性较好的低碳马氏体，还可产生固溶强化；Mo 可形成稳定碳化物，阻止奥氏体晶粒长大，其细晶强韧化作用；Mo 和 Al 促进渗氮，Mo 还防止高温回火脆性。热处理工序的作用：退火：消除锻造应力，改善组织、便于切削加工；调质：获得心部良好的综合力学性能；为氮化做组织准备；去应力退火：消除加工应力；氮化：提高表面硬度和耐磨性。第 8 章 常用机器零件选材1 指出下列零件在选材和制
19、定热处理技术条件中的错误，并说明理由及改进意见。直径 30mm、要求良好综合力学性能的传动轴，材料用 40Cr 钢，热处理技术条件：调质4045HRC；答：调质 4045HRC，为错误！应为调质 220250HBS转速低、表面耐磨及心部强度要求不高的齿轮，材料用 45 钢，热处理技术条件：渗碳+淬火，5862HRC；答：此齿轮要求不高，可以选用中碳钢 45，但不能采用渗碳，而用高频表面感应加热淬火，5055HRC。弹簧（直径 15mm），材料用 45 钢， 热处理技术条件：淬火+ 回火， 5560HRC ；答：弹簧（直径 15mm）不能用 45 钢，可以选用 65Mn 或 60Si2Mn，淬火
20、+中温回火，42-45HRC。机床床身，材料用 QT400-15。采取退火热处理。答：机床床身可以选用灰口铸铁 HT200，采取时效处理（消除应力、稳定化） 。拉杆（直径 70mm）要求截面上的性能均匀，心部 b900MPa，材料使用 40Cr 钢，热处理技术条件：调质 200300HBS。答：此拉杆（直径70mm）要求截面上的性能均匀，心部 b900MPa，40Cr 钢的淬透性不能保证，可采用 40CrMnMo、40CrNiMo 等高淬透性的调质钢。另，应要求调质250280HBS 。2 根据下列零件的性能要求及技术条件， 试选择热处理工 艺方法。45 钢 制机床主 轴，其轴颈部分和轴承接触
21、，要求耐磨，5256HRC，硬化层深 1mm。答：45 钢制机床主轴采用整体调质以及其轴颈部分高频表面感应加热淬火、低温回火。20CrMnTi 制汽 车传动齿轮，要求表面高硬度高耐磨性，5863HRC，硬化层深 0.8mm。答：20CrMnTi 制汽车传动齿轮采用表面渗碳、淬火和低温回火处理。65Mn 制作直径 为 5mm 的某弹簧，要求高弹性， 3840HRC，回火屈氏体组织。答：65Mn 制作直径为 5mm 的弹簧采用淬火和中温回火处理HT250 制作减速器壳，要求具有良好的刚度、强度、尺寸稳定性。答：HT250 制作减速器壳采用时效处理（消除应力、稳定化） 。3 汽车、拖拉机变速箱齿轮多
22、用渗碳 钢制造，而机床 变速箱 齿轮又多采用调质钢制造，原因何在？答：汽车、拖拉机变速箱齿轮要承受冲击负荷、较严重的摩擦磨损以及较大的弯曲负荷等，即要求表硬内韧，故而多用（合金）渗碳钢制造；而机床变速箱齿轮是室内工作条件，工作平稳、负荷较小，故采用调质钢制造即可。4 制造直径为 60mm 的轴，要求心部硬度 为 3040HRC、 轴颈表面硬度为 5055HRC 。现库存 45、20CrMnTi、40CrNi、40Cr 四种钢，问选用哪种钢为宜？其工艺路线如何安排？说明热处理的主要目的及工艺方法。答：选用 40CrNi，工艺路线如下：下料锻造退火粗加工调质半精加工表面淬火及低温回火磨削加工。退火
23、是为了改善锻造组织，得到合适的硬度，便于切削加工； 调质是为了使主轴得到高的综合力学性能和疲劳强度，还为最终的（高频）表面淬火做准备。为了更好地发挥调质的效果，安排在粗加工后进行。对轴颈和锥孔进行表面淬火、低温回火，旨在提高硬度，增加耐磨性。7 指出下列工件应采用所给材料中的哪一种？并选定热处理方法。工件：汽车齿轮、镗床镗杆、车辆缓冲弹簧、发动机连杆螺栓、机床床身、发动机排气阀门弹簧、自来水管弯头、自行车车架、电风扇机壳。材料：40Cr、45、38CrMoAl、50CrVA、16Mn、HT200、60Si2Mn、ZL102、20CrMnTi、KTH300-06。答：汽车齿轮20CrMnTi，
24、采用表面渗碳、淬火和低温回火处理；镗床镗杆38CrMoAl，采用表面气体氮化处理；车辆缓冲弹簧60Si2Mn， 采用淬火和中温回火处理；发动机连杆螺栓40Cr， 采用调质处理；机床床身HT200，采用时效处理；发动机排气阀门弹簧50CrVA，采用淬火和中温回火处理；自来水管弯头KTH300-06，采用退火处理；自行车车架16Mn，不处理（原轧制供货状态） ；电风扇机壳ZL102，退火处理。第 9 章 常用机械用材情况与机械工业节材1 机床、汽车、工程机械的用材相同吗？各自的用材有什么特点？ 为什么？答：很不同，因其工况各不相同，具体如下。机床用材特点 工作条件：工作环境好、受力较小且平稳；但精
25、度要求高和保持精度的寿命要求较高。选材要求：保证刚度，保证摩擦副零件的耐磨性，承受一定的工作负荷。用材情况与特点铸铁（占 70%）：床身、工作台、底座、立柱 、横梁等。碳钢（占 20%）和合金钢：齿轮、轴类等重要零件。有色金属与塑料（占 10%）：某些齿轮、蜗轮、垫片、油管、皮带轮、罩壳等。 汽车用材特点 工作条件：环境很差，受力较大，应力复杂，常有较大冲击和过载选材要求：重量轻、速度高、寿命长、安全可靠，大批量生产要求工艺性能好。故要求材料强度高、工艺性能、质量稳定、资源丰富。用材情况与特点钢材约 70%、铸铁约 15%，余为有色金属和非金属材料。低合金高强钢：车身(保证强度、刚度及轻)碳素
26、(合金)结构钢：传动装置、转向装置及发动机的重要零件。球墨铸铁：曲轴、连杆、凸轮轴等。其它铸铁：发动机缸体、缸盖、变速器壳体代用材料(轻量化)：铝、镁合金(发动机缸体、车体行架 等)，塑料(球座、万向节轴套等) 工程机械、矿山机械用材特点 工作条件：多以泥沙、矿石为作业对象，工况恶劣多变（露天、部分为严寒地区） ，承受较大冲击、过载。选材要求：着重考虑耐磨性、疲劳强度、低温韧性，部分机体要求小型化、轻量化， 并便于更换零件。 用材情况与特点：以强度高、韧性好、质量稳定的合金钢材为主。例：日本中型推土机中(铸、轧)钢 66%、铸钢 20%、铸铁 12%、有色金属 1.5%及非金属材料仅 0.5%
27、。合金结构钢、特殊钢（耐磨钢等）：工作装置、行走机构的耐磨零件（挖掘机斗齿、球磨机衬板、拖拉机履带板等） ，动力装置（碳钢、低合金钢） 。铸钢：机架、箱座类零件（形状简单者采用低合金高强钢焊接结构） 。2 机械制造中为什么主要使用金属材料，尤其是钢铁？在不 长的时期内它们能否完全为其它类型材料所取代？试加以分析。答：民用产品中，经济性为首位。传统材料的价格/比强度占据绝对优势。除了水泥、木材外，钢铁很便宜，所以钢铁是一种难以完全替代的传统材料。未来几十年内，金属材料尤其钢铁仍然是机械工程材料的主角。这是因为与其它工程材料相比，在力学性能、工艺性能和生产成本三者之间，金属材料保持了最佳的平衡。4
28、 我国机械系统节材的主要目标是什么？机械工业节材的哪些途径是行之有效的？答：我国机械系统节材的主要目标重点节约钢材等金属材料。具体三方面：降低产品的材料消耗；减少制造过程的材料消耗；提高产品质量、延长产品规定的服役期限。机械行业近期节材目标是全行业平均钢材利用率达 70% ，铸件综合废品率下降到 8%以下，关键基础件的平均使用寿命延长 25%以上。机械工业节材的行之有效的节材途径采用先进制造技术，提高材料利用率（如近净形铸造技术；精密塑性成形技术） ；科学下料技术；先进焊接技术；可控气氛热处理与表面改性技术；关键件用精钢和脱气钢以及强韧化及表面处理新技术（显著延长使用寿命） 。扩大应用新材料，改善用材结构，提高用材水平。提高产品设计水平，充分发挥材料潜力，降低材料消耗。
